JP2008208080A - バイオマスからのアミノ酸製造方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発酵法よりも容易にアミノ酸を安価に大量に製造することができる方法および装置を提供する。
【解決手段】 タンパク質を含有するバイオマスとアルカリとを、加熱条件下および無酸素雰囲気下で反応させてアミノ酸を生成する。この方法により生成するアミノ酸としては、ホスホセリン、タウリン、トレオニン、グルタミン酸、α−アミノアジピン酸、グリシン、アラニン、シトルリン、α−アミノ酪酸、バリン、メチオニン、シスタチオニン、イソロイシン、ロイシン、チロシン、フェニルアラニン、β−イソアミノ酪酸、ギャバ（γ−アミノ酪酸）、トリプトファン、オルチニン、リジン、ヒスチジン、アルギニン、プロリンが確認されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、タンパク質を含有するバイオマス資源を原料に用いてアミノ酸を製造する方法および装置に関する。

アミノ酸を製造する方法としては、特定の微生物を利用してアミノ酸を生産させる発酵法や、特定の酵素を利用してグルコースをアミノ酸に分解する酵素法、昆布等からアミノ酸を抽出する抽出法、小麦や脱脂大豆のタンパク質を塩酸による加水分解する加水分解法、化学的に合成する合成法などがあるが、これらの中で発酵法が現在、最も一般的に採用されている方法である。

例えば、アミノ酪酸を製造する方法として、特開平８−１５４６９２号公報には、シュードモナス（Pseudomonas）属に属する特定の微生物を培養し、これを５−エチルヒダントインに作用せしめ、Ｄ−２−アミノ酪酸を生成する方法が記載されている。また、アミノアジピン酸の製造方法として、特開平６−１８１７８７号公報には、アグロバクテリウム（Agrobacterium）属、アルカリゲネス（Alcaligenes）属、クレプシエラ（Klebsiella）属、ブレビバクテリウム（Breviacterium）属、又はバチルス（Bacillus）属に属する微生物をＬ−リジンに作用せしめることで、Ｌ−α−アミノアジピン酸を生成する方法、国際公開第９６／３１６１６号パンフレットには、フラボバクテリウム（Flavobacterium）属に属する微生物の培養物を用いて、Ｌ−リジンのアミノメチル基をカルボキシル基に変換するＬ−２−アミノアジピン酸の製造方法が記載されている。さらに、シスタチオニンの製造方法として、特開２００４−１５９５５３号公報や特開２００５−１６８４２２号公報には、大腸菌に属する特定の変異株を培養し、これにＬ−メチオニンや、Ｌ−システイン、Ｌ−ホモセリンを添加することで、Ｌ−シスタチオニンを製造する方法が記載されている。

一方、バイオマス資源は、有限な資源でありかつ大気中に多量のＣＯ₂を排出する化石燃料とは異なり、再生産が可能でありかつカーボンニュートラルである。そのため、バイオマス資源の有効利用については、化石燃料の代替エネルギーとしての用途の他にも、多くの用途への研究がなされている。米ぬかやおから等の食品加工残渣や、セリシン等の絹糸加工残渣に代表される廃棄物系バイオマスについては、飼料等への再利用も行われているものの、依然として多くの量が有効利用されずに廃棄処理されている状況にある。
特開平８−１５４６９２号公報 特開平６−１８１７８７号公報 国際公開第９６／３１６１６号パンフレット 特開２００４−１５９５５３号公報 特開２００５−１６８４２２号公報

発酵法は、現在のアミノ酸産業の基盤をなす技術である。しかしながら、発酵法は、変異株等の特定の微生物を培養する必要がある等の高度の技術が要求される。よって、発酵法よりも容易にアミノ酸を製造する方法および装置の開発が求められている。

そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、発酵法よりも容易にアミノ酸を安価に大量に製造することができる方法および装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、タンパク質を含有するバイオマスからアミノ酸を製造する方法であって、このバイオマスとアルカリとを、加熱条件下および無酸素雰囲気下で反応させて、アミノ酸を生成することを特徴とするものである。

このように、バイオマス中に含まれるタンパク質は、加熱条件下および無酸素雰囲気下でアルカリと反応し、アミノ酸へと分解する。この反応により得られるアミノ酸としては、現在のところ、ホスホセリン、タウリン、トレオニン、グルタミン酸、α−アミノアジピン酸、グリシン、アラニン、シトルリン、α−アミノ酪酸、バリン、メチオニン、シスタチオニン、イソロイシン、ロイシン、チロシン、フェニルアラニン、β−イソアミノ酪酸、ギャバ（γ−アミノ酪酸）、トリプトファン、オルチニン、リジン、ヒスチジン、アルギニン、プロリンが確認されている。これらアミノ酸は、医薬用途、食品用途、研究用途などで広く利用されているが、本発明によれば、これらの中でも特に、医薬用途として有望で且つ工業的に製造することが非常に困難で高価なα−アミノアジピン酸、α−アミノ酪酸、シスタチオニンを製造することができるという利点がある。

前記加熱条件としては１５０〜４５０℃の温度範囲が好ましい。前記バイオマスと前記アルカリとの重量比は、前記バイオマスを乾燥重量で１ｇに対し前記アルカリを０．０５〜４０．０ｇとすることが好ましい。アルカリの重量は固体状態のものである。前記タンパク質を含有するバイオマスとしては、動植物系タンパク質を含有するバイオマスを使用することが好ましい。

また、本発明は、別の態様として、タンパク質を含有するバイオマスからアミノ酸を製造する装置であって、このバイオマスとアルカリとの反応によりアミノ酸を生成する無酸素雰囲気下の反応室と、前記反応室を前記反応が起こる温度に加熱する加熱手段と、前記反応室内から、生成したアミノ酸を含有する固体状の残留物を取り出す排出手段とを備えることを特徴とする。このアミノ酸製造装置は、前記バイオマスと前記アルカリとの重量比が、乾燥重量の前記バイオマス１ｇに対して前記アルカリが０．０５〜４０．０ｇとなるように、前記反応装置に前記バイオマスと前記アルカリを供給する定量供給手段を更に備えることが好ましい。また、このアミノ酸製造装置は、前記残留物中からアミノ酸を分離する分離手段を更に備えることが好ましい。

上記の通り、本発明によれば、原料としてタンパク質を含有するバイオマスを用い、これを加熱条件下および無酸素雰囲気下でアルカリと反応させることでアミノ酸が生成することから、アミノ酸を安価に大量に製造する方法および装置を提供することができる。

以下に、本発明に係るアミノ酸を製造する方法の実施の形態について説明する。本発明は、所定の加熱条件下および無酸素雰囲気下で、タンパク質を含有するバイオマスとアルカリとを反応させることで、アミノ酸を得るというものである。

タンパク質を含有するバイオマスとしては、動植物系タンパク質を含有するバイオマスを使用することが好ましい。このような動植物系タンパク質を含有するバイオマスとしては、米、麦、トウモロコシ、肉、刺身や、昆布、ワカメ、海苔等の藻類などの食品がある。さらに、有効利用という観点から、食品や絹糸などの工業製品に加工する際に発生する残渣といった廃棄物系バイオマスを用いることが好ましい。食品加工残渣として具体的に例を挙げると、米ぬか、おから、ふすま、コーヒー粕、ビール粕、酒粕、油粕、醤油粕、デンプン粕、コーン廃液、みかん絞り粕、魚粉、魚介類煮汁、獣骨、獣肉残渣、肉蒸煮液、鳥羽毛などがある。また、絹糸加工残渣としてはセリシンがある。本発明は、タンパク質を含有するバイオマスから直接的にアミノ酸を生成することができるので、バイオマス資源を容易に有効利用することができる。

アルカリとしては、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物または酸化物を使用することが好ましい。例えば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ルビジウム（ＲｂＯＨ）等のアルカリ金属の水酸化物や、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等のアルカリ土類金属の酸化物を使用することができ、このうち特にＮａＯＨが好ましい。

アルカリの添加量としては、乾燥重量の前記バイオマス１ｇに対して、アルカリを固体重量で０．０５ｇ以上添加することが好ましい。このような添加量にすることで、バイオマス中のタンパク質が十分にアルカリと反応することから、一定量のアミノ酸を生成させることができる。なお、アルカリはタンパク質に対して多めに存在させても良いが、４０．０ｇを超えて過剰に添加してもその効果は飽和状態となるので、アルカリ添加量の上限は４０．０ｇとすることが好ましい。より好ましい範囲は、バイオマス１ｇに対して０．５〜１０．０ｇである。

加熱条件としては、使用する原料により異なるが、原料を少なくとも１５０℃以上に加熱する必要がある。加熱温度が１５０℃未満では、タンパク質を分解してアミノ酸を生成することができない。一方、加熱温度の上限は４５０℃に抑える必要がある。加熱温度が４５０℃を超えると、生成したアミノ酸が分解してしまい、効率良くアミノ酸を得ることができない。より好ましい範囲は２００〜３５０℃である。

また、本反応は、バイオマスの燃焼を防ぐため、無酸素雰囲気下で行い、例えば、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。不活性ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）などの０族元素のガスや窒素ガスを用いることが好ましい。なお、不活性ガスとともに水蒸気を導入してもよい。また、不活性ガスを流通させることで、生成した水素を反応系外に除去することができる。

バイオマスとアルカリは、反応が起こるように混合されていれば特に限定されないが、バイオマスは反応が促進するように様々な形状にすることが好ましい。例えば、粉状、粒状、ペレット状、フレーク状、チップ状、小片状、多孔質状にすることが好ましい。また、バイオマスの種類によっては、液状、スラリー状にしてもよい。また、アルカリは、濃度１０〜９９重量％の水溶液としてバイオマスに担持させることが好ましい。

本実施の形態では、次に、上記反応により生成した固体状の残留物からアミノ酸を分離する。本反応により生成するアミノ酸としては、ホスホセリン（ＨＯＯＣＣＨ（ＮＨ₂）ＣＨ₂ＯＰＯ（ＯＨ）₂）、タウリン（ＮＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂ＳＯ₂ＯＨ）、トレオニン（ＣＨ₃ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、グルタミン酸（ＨＯＯＣＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、α−アミノアジピン酸（ＨＯＯＣＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、グリシン（ＮＨ₂ＣＨ₂ＣＯＯＨ）、アラニン（ＣＨ₃ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、シトルリン（ＮＨＣ（ＯＨ）ＮＨＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、α−アミノ酪酸（ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、バリン（（ＣＨ₃）₂ＣＨＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、メチオニン（ＣＨ₃ＳＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、シスタチオニン（ＨＯＯＣＣＨ（ＮＨ₂）ＣＨ₂ＳＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、イソロイシン（ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＨ（ＣＨ₃）ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、ロイシン（（ＣＨ₃）₂ＣＨＣＨ₂ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、チロシン（ｐ−ＯＨＣ₆Ｈ₄ＣＨ₂ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、フェニルアラニン（Ｃ₆Ｈ₅ＣＨ₂ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、β−イソアミノ酪酸（ＮＨ₂ＣＨ₂ＣＨ（ＣＨ₃）ＣＯＯＨ）、ギャバ（γ−アミノ酪酸）（ＮＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＯＯＨ）、トリプトファン（（Ｃ₈Ｈ₆Ｎ）ＣＨ₂ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、オルチニン（ＮＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、リジン（Ｈ₂ＮＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、ヒスチジン（（Ｃ₃Ｈ₃Ｎ₂）ＣＨ₂ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、アルギニン（ＨＮ＝Ｃ（ＮＨ₂）ＮＨＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ（ＮＨ₂）ＣＯＯＨ）、プロリン（（Ｃ₄Ｈ₈Ｎ）ＣＯＯＨ）の２４種類が確認されている。これらの中でも、α−アミノアジピン酸、α−アミノ酪酸、シスタチオニンを製造することが好ましい。

これらのアミノ酸は、ナトリウム塩等のアミノ酸のアルカリ塩として残留物中に存在する場合もある。また、残留物中には、これらアミノ酸塩の他、未反応のバイオマスなどが存在する。よって、残留物中からアミノ酸を分離する必要がある。

残留物中からアミノ酸を分離する方法としては、例えば、残留物を純水等の溶媒に浸漬して、アミノ酸のアルカリ塩を溶媒に溶解させることで、このような溶媒に不溶な固形物と分離することができる。その後、濾過等の固液分離を行うことによって、固形物を除去して、アミノ酸を含む液体を得ることができる。なお、各アミノ酸をそれぞれ分離する場合は、アミノ酸の種類によって異なるが、例えば、塩酸、硫酸等の酸水溶液と有機溶媒で抽出分離する方法や、高速液体クロマトグラフィーにより分離、精製する方法もある。

次に、本発明に係るアミノ酸を製造する装置の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る装置は、タンパク質を含有するバイオマスとアルカリとの反応によりアミノ酸を生成する反応室と、この反応室の温度を１５０〜４５０℃にする加熱手段と、前記バイオマスと前記アルカリとの重量比が、乾燥重量の前記バイオマス１ｇに対して前記アルカリが０．０５〜４０．０ｇとなるように、反応室にバイオマスとアルカリを供給する定量供給手段と、反応室を無酸素雰囲気に維持するために反応室に不活性ガスを供給する配管と、反応室内で生成した水素等を含むガスを排出する配管と、反応室から固体状の残留物を取り出す排出手段と、この残留物中からアミノ酸を分離する分離手段とを備えている。

本反応を行うための反応室は、固定床方式でも流動床方式でもよい。流動床方式としては、例えば、円筒形状の回転型反応炉（ロータリーキルン）や、単軸又は２軸スクリュー式押出機を用いることができる。反応室は、ステンレススチールやアルミニウム等の金属、アルミナやジルコニア等のセラミックスまたはフェノール樹脂やポリフェニレンサルファイド等の耐熱性プラスチック等の耐熱性、耐アルカリ性に優れた素材で作られていることが好ましい。

加熱手段としては、抵抗加熱によるヒータや、正特性サーミスタ（ＰＴＣヒータ）、化学反応の酸化熱を利用する加熱器、触媒燃焼による加熱器、誘導加熱による加熱器、熱風を反応室外周に供給して原料を間接加熱する外熱式加熱手段などを用いることができる。

定量供給手段としては、タンパク質を含有するバイオマスとアルカリまたはその水溶液とをそれぞれ計量して、所定の重量比となるように供給するものであれば、特に限定されるものではない。これらは混合してから反応室に供給してもよいし、別々に供給してもよい。また、定量供給手段は、反応室が固定床方式であればバッチ式を採用でき、反応室が流動床方式であれば連続式を採用できる。

反応室内に不活性ガスを供給する配管、反応室が固定床方式であれば反応前に不活性ガスを反応室内に充填するように構成することができ、反応室が流動床方式であれば反応中に不活性ガスを連続的に供給する構成にすることができる。また、反応室内から気相生成物を含むガスを排出する配管も、反応室が固定床方式であれば反応後にガスを反応室内から排出するように構成することができ、反応室が流動床方式であれば反応中にガスを連続的に排出する構成にすることができる。

反応室から固体状の残留物を取り出す排出手段としては、例えば、反応室としてロータリーキルンを採用した場合、円筒軸を傾けることで、キルンの回転により、床面の高さが低い方のキルン端部の開口部から、残留物が自由落下して排出される。必要により、残留物を掻き出すためのスパイラルブレードなどを残留物の出口に設けてもよい。

分離手段としては、例えば、アミノ酸を溶解する溶媒が収容された残留物用受容器と、アミノ酸が溶解した溶媒と固形物とを固液分離するフィルターとの組み合わせ等を用いることができる。排出手段と分離手段との間に、例えば、室温まで残留物を冷却することができる冷却手段を設けてもよい。例えば、室温または低温の不活性ガスを送風すること等によって、残留物を冷却することができる。

（実施例１）
タンパク質を含有するバイオマスとして、米ぬか０．３ｇ（水分率１２％）をアルミナボートにのせ、それにアルカリとして５０ｗｔ％のＮａＯＨ水溶液（和光純薬工業社製）を所定量（ＮａＯＨ：２２．５ｍｍｏｌ）滴下し、スパチュラにて両者を混合した。そして、図１に示す常圧固定床流通式反応装置を用いて、上記の試料からアミノ酸を生成する実験を行った。

先ず、ステンレス製の反応管３中央部に上記のアルミナボート１１に載せた試料１０を入れ、Ａｒパージ（１００ｍｌ／ｍｉｎ、１０１ｋＰａ）を３０分間行った。次に、電気炉４により反応管３を加熱して、Ａｒ（２０ｍｌ／ｍｉｎ、１０１ｋＰａ）雰囲気下、室温から１００℃まで５℃／ｍｉｎで昇温し、１００℃から２５０℃まで２℃／ｍｉｎで昇温し、その後、２５０℃で１時間にわたり反応を行った。

この反応により生成した生成物を５０ｍｌの純水に溶解し、この溶解液を日立社製アミノ酸分析装置にて分析した。その結果を表１に示す。また、米ぬかに代えて、セリシン、おからについても、各０．３ｇ（水分率１２％）使用して同様の実験を行った。これらの結果も表１に示す。なお、アミノ酸の収率（％）は、バイオマスの乾燥重量に対する各アミノ酸の生成量の割合である。米ぬか、セリシン、おからの各乾燥重量は２６５．４ｍｇ、２６４．０ｍｇ、２６４．０ｍｇであった。

表１に示すように、バイオマスとして米ぬかを使用した場合、ホスホセリン、タウリン、トレオニン、グルタミン酸、α−アミノアジピン酸、グリシン、アラニン、α−アミノ酪酸、バリン、メチオニン、シスタチオニン、イソロイシン、ロイシン、チロシン、フェニルアラニン、β−イソアミノ酪酸、ギャバ（γ−アミノ酪酸）、トリプトファン、オルチニン、リジン、ヒスチジン、アルギニン、プロリンの２３種類のアミノ酸が生成することが確認できた。なお、β−イソアミノ酪酸とトリプトファンについては生成していることは確認できたが、生成量が微量のため定量することができなかった。

また、セリシンを使用した場合は、上記のアミノ酸のうち、ホスホセリン、トレオニン、フェニルアラニン、β−イソアミノ酪酸、アルギニンを除く、１８種類のアミノ酸が生成することが確認できた。おからを使用した場合は、上記のアミノ酸のうち、タウリン、トレオニン、β−イソアミノ酪酸を除く、２０種類のアミノ酸が生成することが確認できた。なお、これらのバイオマスを使用した場合も、トリプトファンについて生成していることは確認できたが、生成量が微量のため定量することができなかった。

原料として米ぬかやおからを使用した場合、これらの重量に対してアミノ酸の生成量は少なく、収率は約９％から約１８％であった。一方、原料としてセリシンを使用した場合、この重量に対してアミノ酸の生成量は多く、収率は約５１％であった。これは、バイオマス原料中に含まれるタンパク質の割合によるものであると推測する。

また、反応管３内で生成した気体は、氷により温度０℃に保持されたトラップ装置５を介して、サンプリング装置６に導入した。そして、気相生成物を分析するために、さらに気相の一部をガスクロマトグラフ７に導入した。その結果、気相生成物として、水素とメタンを検出したが、ＣＯおよびＣＯ₂は検出されなかった。

（実施例２）
タンパク質を含有するバイオマスとして米ぬか０．３ｇ（水分１２％）をアルミナボートにのせ、それにアルカリとして５０ｗｔ％のＮａＯＨ水溶液（和光純薬工業社製）を所定量（ＮａＯＨ：２２．５ｍｍｏｌ）滴下し、スパチュラにて両者を混合した。そして、実施例１と同様の反応装置を用いて、上記の試料からアミノ酸を生成する実験を行った。

この反応により生成した生成物を分析するため、５０ｍｌの純水で溶解した同生成物を外部機関の岐阜県産業技術センター（日本電子社製アミノ酸分析装置ＪＬＣ−５００を使用）に依頼してアミノ酸分析を行った。その結果を表２、表３および図２、図３に示す。

表２、表３および図２、図３に示すように、外部機関による分析結果では、米ぬかから、ホスホセリン、グルタミン酸、α−アミノアジピン酸、グリシン、アラニン、シトルリン、α−アミノ酪酸、バリン、メチオニン、シスタチオニン、イソロイシン、ロイシン、チロシン、フェニルアラニン、ギャバ（γ−アミノ酪酸）、トリプトファン、オルチニン、リジン、ヒスチジン、アルギニン、プロリンの２１種類のアミノ酸が生成することが確認できた。なお、タウリン、トレオニン、β−イソアミノ酪酸については、生成量が少ないこともあってか、この分析結果からは生成したことの確認はできなかった。一方、この外部機関による分析結果ではシトルリンも生成していることがわかった。

実施例で使用した固定床流通反応装置の概略を示す模式図である。 バイオマスとして米ぬかを用いた場合に生成したアミノ酸の分析結果を示すグラフである。 バイオマスとして米ぬかを用いた場合に生成したアミノ酸（プロリン等）の分析結果を示すグラフである。

符号の説明

１ マイクロフィーダ
２ 気化器
３ アルミナ反応管
４ 電気炉
５ トラップ装置
６ サンプリング装置
７ ガスクロマトグラフ

Claims (6)

1. タンパク質を含有するバイオマスからアミノ酸を製造する方法であって、
   前記バイオマスとアルカリとを、加熱条件下および無酸素雰囲気下で反応させて、アミノ酸を生成するバイオマスからのアミノ酸製造方法。
2. 前記アミノ酸として、α−アミノアジピン酸、α−アミノ酪酸、若しくはシスタチオニン、又はこれらの組み合わせを生成する請求項１に記載のアミノ酸製造方法。
3. 前記加熱条件が１５０〜４５０℃の温度範囲である請求項１又は２に記載のアミノ酸製造方法。
4. 前記バイオマスと前記アルカリとの重量比を、前記バイオマスを乾燥重量で１ｇに対し前記アルカリを０．０５〜４０．０ｇとする請求項１〜３のいずれか一項に記載のアミノ酸製造方法。
5. 前記タンパク質を含有するバイオマスとして、動植物系タンパク質を含有するバイオマスを使用する請求項１〜４のいずれか一項に記載のアミノ酸製造方法。
6. タンパク質を含有するバイオマスからアミノ酸を製造する装置であって、
   前記バイオマスとアルカリとの反応によりアミノ酸を生成する無酸素雰囲気下の反応室と、前記反応室を前記反応が起こる温度に加熱する加熱手段と、前記反応室内から、生成したアミノ酸を含有する固体状の残留物を取り出す排出手段とを備えたアミノ酸製造装置。

Images